WIWAM驅(qū)動式植物表型成像系統(tǒng)

產(chǎn)品型號： WIWAM定制版

所屬分類：WIWAM植物表型成像分析平臺

更新時間：2022-05-31

簡要描述：WIWAM驅(qū)動式植物表型成像系統(tǒng)針對大型植物的生長表型特征，設(shè)計了一套sensor-to-plant系統(tǒng)。該裝置包括一個箱體，垂直于植株移動的方向，以及一個較小的可停靠箱體，在兩個植株移動線之間移動。

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WIWAM植物表型成像系統(tǒng)由比利時SMO公司與Ghent大學(xué)VIB研究所研制生產(chǎn)，我們提供的Conveyor版本、Line 版本、XY版本、Box版本僅僅是我們WIWAM植物表型成像系統(tǒng)的基礎(chǔ)版本，如果您有更多需求，請與我們聯(lián)系，為您量身打造個性化表型成像系統(tǒng)。

WIWAM驅(qū)動式植物表型成像系統(tǒng)介紹

SMO是歐洲有名的機(jī)械設(shè)備制造與設(shè)計工程公司，在機(jī)械自動化以及機(jī)器視覺成像領(lǐng)域擁有豐富的設(shè)計和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，為歐洲客戶提供機(jī)械解決方案，SMO公司將機(jī)械領(lǐng)域的*理念帶入了植物表型研究領(lǐng)域，所采用的配件均為工業(yè)界廣泛認(rèn)可的高品質(zhì)配件，耐受苛刻環(huán)境，另外表型設(shè)備領(lǐng)域的好多自動化配件，均由SMO公司自主設(shè)計，例如WIWAM系統(tǒng)的高精度稱重澆水工作站，專有的高精度相機(jī)定位系統(tǒng)等等，鑒于工業(yè)領(lǐng)域的豐富經(jīng)驗(yàn)，可針對不同客戶需求，提供真正快速定制化的解決方案。因公司擁有極為強(qiáng)大的工程師團(tuán)隊(duì)，一般數(shù)周左右就可以提供極復(fù)雜表型成像系統(tǒng)的解決方案。由于采用開放式框架結(jié)構(gòu)，目前WIWAM可以集成目前市面上所有的相機(jī)傳感器模塊，如RGB相機(jī)、葉綠素?zé)晒獬上衲K、高光譜相機(jī)模塊、近紅外相機(jī)模塊、3D激光掃描模塊、多光譜模塊、CT成像模塊等，是目前世界上表型成像領(lǐng)域整合能力的公司，這也順應(yīng)了植物表型組織提出的標(biāo)準(zhǔn)化的潮流，提供設(shè)備涉及到室內(nèi)表型、田間表型、根系表型、種子表型等領(lǐng)域。在該領(lǐng)域較突出的一點(diǎn)，SMO公司是目前所有表型設(shè)備提供商里不多見的進(jìn)行自主機(jī)械、控制系統(tǒng)設(shè)計和生產(chǎn)的公司，因自有長期的機(jī)械工程人員和自己的生產(chǎn)場地，能應(yīng)對表型領(lǐng)域客戶的極為多樣化的需求。

VIB所：比利時VIB生物研究所是世界較*植物科學(xué)研究所之一，大名鼎鼎的蒙塔古教授（CropDesign公司創(chuàng)始人）、 Dirk Inzé，均來自該所，主要科研人員和創(chuàng)始人來自比利時VIB所的CropDesign首先成功研制出自用的稱為TraitMill的技術(shù)平臺。VIB所作為WIWAM系統(tǒng)開發(fā)者，在*使用高通量植物表型識別系統(tǒng)WIWAM鑒定出促進(jìn)農(nóng)作物產(chǎn)量性狀的關(guān)鍵基因，目前相關(guān)文章發(fā)表在Nature Biotechnology等期刊上。SMO公司與VIB合作，將工業(yè)自動化、機(jī)械視覺、人工智能以及生物學(xué)技術(shù)等相結(jié)合，設(shè)備開發(fā)人員包括自動化工 程師、機(jī)械視覺專家、植物遺傳學(xué)家，生態(tài)生理學(xué)家，發(fā)育生物學(xué)家，農(nóng)藝學(xué)家，氣候研究員，土壤學(xué)家，生物信息學(xué)家和生物學(xué)家，植物發(fā)育、生理過程和氣候情景建模相關(guān)的其他相關(guān)領(lǐng)域的科學(xué)家，傳感技術(shù)開發(fā)者等，目前客戶有根特大學(xué)、拜耳公司等等。

WIWAM驅(qū)動式植物表型成像系統(tǒng)案例

針對大型植物的生長表型特征，設(shè)計了一套sensor-to-plant系統(tǒng)。該裝置包括一個箱體，垂直于植株移動的方向，以及一個較小的可停靠箱體，在兩個植株移動線之間移動。這個可停靠的箱體搭載了一臺的RGB相機(jī)，配備了照明和兩臺3D掃描儀，同時作為一個雙掃描裝置，用于創(chuàng)建植物的3D點(diǎn)云。這些成像系統(tǒng)安裝在2.5m的垂直掃描軸上。整個軸可以旋轉(zhuǎn)180度，以便從兩側(cè)對植物進(jìn)行成像。主計算機(jī)和可停靠箱體之間有無線通信，圖像數(shù)據(jù)通過WIFI傳輸。成像處理可以以靈活的方式編程，其中可以幾個參數(shù)，如定時、掃描高度和成像側(cè)。

WIWAM高通量植物表型平臺應(yīng)用實(shí)例

擬南芥生長與菌株互作

根際微生物可以通過許多不同的方式改變植物的生理和形態(tài)，包括通過釋放揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOCs）。本文證明了來自有益根內(nèi)生植物Serendipita spp.的揮發(fā)性有機(jī)化合物能夠改善體外生長的擬南芥幼苗的性能，植物生物量增加了9.3倍。暴露于VOC的植物的其他變化包括葉柄伸長、表皮細(xì)胞和葉面積擴(kuò)大、側(cè)根系統(tǒng)延長、提高光系統(tǒng)II（Fv/Fm）的最大量子效率以及高水平花青素的積累。盡管影響的大小高度依賴于試驗(yàn)系統(tǒng)和培養(yǎng)基，但每個受檢菌株的揮發(fā)性混合物，包括參考S.indica和S.williamsii，表現(xiàn)出類似的植物生長促進(jìn)活性。通過結(jié)合不同的方法，我們提供了強(qiáng)有力的證據(jù)，證明不僅真菌呼吸二氧化碳在頂空中積累，而且其他揮發(fā)性化合物也有助于觀察到的植物反應(yīng)。揮發(fā)性分析表明，苯甲酸甲酯是豐富的真菌揮發(fā)性有機(jī)化合物，特別是由引起植物生長促進(jìn)的Serendipita培養(yǎng)物釋放。然而，在我們的實(shí)驗(yàn)條件下，苯甲酸甲酯作為揮發(fā)物的應(yīng)用并未影響植物的性能，這表明涉及其他化合物，或者揮發(fā)性有機(jī)化合物的混合物，而不是單分子，解釋了強(qiáng)烈的植物反應(yīng)。在一些主要的植物激素信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑中使用擬南芥突變體和報告系進(jìn)一步揭示了生長素和細(xì)胞分裂素信號在Serendipita VOC誘導(dǎo)的植物生長調(diào)節(jié)中的作用。盡管我們還遠(yuǎn)未將現(xiàn)有知識轉(zhuǎn)化為Serendipita的實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：內(nèi)生Sebacinales；真菌揮發(fā)物；植物激素信號；梨狀孢菌屬；植物生長和發(fā)育；植物-微生物相互作用

在尋找化肥和植物保護(hù)產(chǎn)品的可持續(xù)替代品時，已經(jīng)廣泛探索了使用有益的根際微生物和/或其生物活性化合物作為潛在的生物肥料、植物刺激劑和生物防治劑。在此背景下，內(nèi)生菌 Serendipita indica（原 Piriformospora indica）及其在 Serendipitaceae 內(nèi)的近親（Sebacinales、Agaricomycetes、Basidiomycota）因其廣泛的寄主譜和對植物發(fā)育的各個方面的積極影響而引起了人們的關(guān)注。它們被認(rèn)為在可持續(xù)作物生產(chǎn)系統(tǒng)和發(fā)展中國家資源有限的小規(guī)模農(nóng)業(yè)中具有巨大的應(yīng)用潛力。例如已經(jīng)證明，用剛果 Serendipita 菌株對幾種作物進(jìn)行體外接種提高了植物應(yīng)對不利（a）生物條件的能力。有趣的是，基于接種擬南芥幼苗的體外測定，還確定在與剛果分離株或參考菌株 S. indica 和 S. williamsii 物理接觸之前出現(xiàn)陽性植物生長反應(yīng)，表明涉及生物活性可擴(kuò)散化合物。對于 S. indica，確實(shí)已經(jīng)證明擬南芥根結(jié)構(gòu)受到可擴(kuò)散的真菌因子的影響，其作用可以被生長素模擬。然而，盡管 S. indica 能夠在液體培養(yǎng)中產(chǎn)生吲哚-3-乙酸，但植物生長的改善似乎是由真菌菌絲分泌物中的不同（未知）成分引發(fā)的。此外，希爾伯特等人表明，菌絲體合成的生長素不是促進(jìn)生長所必需的，而是大麥根的生物營養(yǎng)定植所必需的。類似地，盡管由 S. indica 產(chǎn)生的順式玉米素和異戊烯基腺嘌呤型細(xì)胞分裂素可能在與擬南芥的有益相互作用中發(fā)揮重要作用，但它們并不是導(dǎo)致觀察到的植物生長效應(yīng)的難以捉摸的生物活性化合物。

我們的主要觀察結(jié)果表明在建立物理接觸之前，植物的芽和根對 Serendipita 接種反應(yīng)良好。因此在當(dāng)前的研究中，使用不同的實(shí)驗(yàn)設(shè)置檢查了剛果 Serendipita 分離株在體外產(chǎn)生的 VOC，并將它們對擬南芥與兩個參考菌株的形態(tài)和生理特征的影響進(jìn)行了比較。評估了養(yǎng)分可用性以及真菌代謝對這些植物反應(yīng)的影響，并評估了真菌呼吸 CO2 和其他揮發(fā)性化合物對觀察到的植物生長促進(jìn)的相對貢獻(xiàn)。還分析了在不同條件下生長的 Serendipita 分離株的揮發(fā)性混合物的組成，以試圖確定與積極植物反應(yīng)有關(guān)的化合物。最后，使用突變體和報告系，評估了主要植物激素途徑在觀察到的 VOC 介導(dǎo)的芽和根修飾中的假定作用。總而言之，將我們的數(shù)據(jù)與其他 VOC 研究的數(shù)據(jù)相結(jié)合，提出了一種關(guān)于 Serendipita 分離株采用的這種新機(jī)制來改變其宿主發(fā)育的模型。

圖1.PDA生長的 Serendipita 分離株30對在含有0%、1%和3% 蔗糖的? MS上生長的擬南芥的揮發(fā)物產(chǎn)量的影響

為了評估 Serendipita 揮發(fā)性產(chǎn)量對擬南芥的影響，建立了盒內(nèi)培養(yǎng)皿共培養(yǎng)試驗(yàn)，其中真菌在 PDA 上培養(yǎng)，而幼苗在補(bǔ)充有蔗糖的 ? MS 培養(yǎng)基上生長（0%、1% 和 3%）。分離株 30 被選為測試生物，因?yàn)樗谥暗闹苯咏佑|測定中具有高生長率和強(qiáng)大的植物生長促進(jìn) (PGP) 能力。共培養(yǎng) 10 天后，在 VOC 處理的植物中觀察到明顯的芽和根生長誘導(dǎo)，但隨著植物培養(yǎng)基中蔗糖水平的增加，相對于沒有真菌的對照的反應(yīng)變得不那么明顯（圖 1A） .在分別含有 0%、1% 和 3% 蔗糖的 MS 培養(yǎng)基上記錄到的芽FW增加了6.6、3.7和1.9倍（圖 1B），這構(gòu)成了生長促進(jìn)程度的顯著降低，具有改善的植物養(yǎng)分有效性（t檢驗(yàn)1%對0%和3% 對 1%，P<0.001），主要是由于對照中糖驅(qū)動的刺激作用（t 檢驗(yàn)，P < 0.05）。此外，VOC 處理過的植物的葉柄更長，它們的葉子看起來更健壯（即更厚/更硬）和更暗（圖 1A）。多光譜成像顯示，這種較深的顏色歸因于花青素色素積累（圖 1C），而不是葉綠素含量增加（圖 1D）。盡管葉綠素指數(shù)值 (ChlIdx) 不受真菌處理的強(qiáng)烈影響，但通過葉綠素?zé)晒鈪?shù) Fv/Fm 在暗適應(yīng)植物中測量的 PSII 光化學(xué)的最大量子效率被真菌VOC顯著提高（圖1E）。

圖2. Serendipita 在分裂板試驗(yàn)中對擬南芥生長的VOC介導(dǎo)影響

接下來研究了其他Serendipita分離株是否會引起不同的植物生長反應(yīng)。因此，在I-plate檢測中篩選了51個剛果分離株和參考菌株S.indica和S. williamsii。與對照處理相比，所有 Serendipita 分離株均誘導(dǎo)擬南芥枝條生物量增加，在連續(xù)范圍內(nèi)變化5到9.3倍。然后，為暴露于來自S. indica、S. williamsii的VOC的個體植物準(zhǔn)備葉子系列，以及剛果收集（圖 2A）中用于我們報告的直接接觸實(shí)驗(yàn)。如圖2B所示，總枝條生物量的增加是葉柄伸長和葉面積擴(kuò)大（高達(dá) 3.7 倍）的綜合結(jié)果。與未經(jīng)處理的植物相比，暴露于VOC的植物中的背面表皮鋪面細(xì)胞至少大兩倍（圖 2C、D），這意味著葉面積擴(kuò)大在很大程度上可歸因于細(xì)胞增大而不是細(xì)胞數(shù)量增加。

圖3.VOC介導(dǎo)的對擬南芥根發(fā)育的影響，在垂直設(shè)置中使用精選的 Serendipita 分離株進(jìn)行檢查

為了查看根結(jié)構(gòu)的調(diào)制，使用了垂直板設(shè)置。在共培養(yǎng)4天和8天后進(jìn)行評估（圖 3A、B）。4天后，與未處理的對照相比，Serendipita VOC導(dǎo)致主根長度最大增加1.2倍（S. williamsii）（圖 3C），側(cè)根長度增加9.6倍（隔離 30）（圖 3D）和2.7倍（隔離1）的側(cè)根密度（圖 3E），導(dǎo)致總根長增加2.4倍（隔離 30；補(bǔ)充圖 S9）。實(shí)驗(yàn)結(jié)束時，處理后的植物與對照相比，初生根、側(cè)根和總根長分別增加了 1.6、16.1 和 5.7 倍，側(cè)根密度增加了3.1倍。隔離 46)。在測試菌株之間沒有檢測到顯著差異，并且分離株之間正根效應(yīng)程度的變化與地上部生物量增強(qiáng)的趨勢相當(dāng)（圖 3C-E）。

圖4.擬南芥中 VOC 介導(dǎo)的植物生長促進(jìn)程度取決于 Serendipita 培養(yǎng)基

接下來評估了在 I-split-plate 試驗(yàn)中在七種不同培養(yǎng)基上培養(yǎng)的代表性 Serendipita 分離株 30 排放的 VOC 混合物的影響，以確定真菌的代謝活性是否影響共培養(yǎng)的結(jié)果。四種真菌培養(yǎng)基（MYP、MEA、CM、PDA）和三種含有較少營養(yǎng)物質(zhì)的植物培養(yǎng)基進(jìn)行測試。在VOC暴露10天后，當(dāng)真菌在MEA、CM 或 PDA 上培養(yǎng)時，記錄了對芽和根生長的*影響。此外，使用這些培養(yǎng)基，獲得了更健壯和更深綠色的植物（圖 4A）。真菌在無蔗糖的 PNM或?MS上的生長幾乎不會調(diào)節(jié)植物發(fā)育，而在? MS上用 1% 蔗糖或 MYP 的生長誘導(dǎo)了中間反應(yīng)（圖 4A）。暴露于MEA、CM和PDA培養(yǎng)物揮發(fā)物的代表性植物的葉子系列顯示具有長葉柄和大葉表面積的深色葉子（圖 4B）。盡管用?MS和1%蔗糖或在MYP上產(chǎn)生的揮發(fā)物處理導(dǎo)致淺綠色葉子，中間葉柄和表面積比在更豐富的培養(yǎng)基上小約1.25到1.5倍，但與這些培養(yǎng)基相比，在這兩種培養(yǎng)基上都長出了額外的葉子到控件。最后，在沒有蔗糖的PNM或?MS上生長導(dǎo)致蒼白、短葉柄、小葉，與對照葉沒有區(qū)別（圖4B）。當(dāng)分離株30在不含或含1%或3%蔗糖的?MS上或在PDA上生長時，在盒裝培養(yǎng)皿實(shí)驗(yàn)裝置中獲得了可比的結(jié)果（圖4C）。共培養(yǎng)10天后，測得的芽生物量分別增加了1.1、6.6、7.0和 7.9倍（圖4D）。此外，所有處理的Fv/Fm比率都高于對照值，但對于使用三種豐富培養(yǎng)基的處理，比率高于沒有蔗糖的? MS上真菌生長記錄的比率（圖4E）。類似地，與在無糖培養(yǎng)基和未處理對照中的真菌生長相比，與在PDA上生長的分離株30和含有1/2 MS的蔗糖（1%和3%）共培養(yǎng)的植物中的花青素和葉綠素含量更高。